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Publication
Safebed : improving safety and sustainability of recycled manure solids as bedding material for dairy cows
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Abstract(s)
ABSTRACT - SAFEBED: IMPROVING SAFETY AND SUSTAINABILITY OF RECYCLED MANURE SOLIDS AS BEDDING MATERIAL FOR DAIRY COWS - Antimicrobial resistance (AMR) and the environmental impact of livestock production pose significant challenges to sustainable dairy farming. The use of recycled manure solids (RMS) as bedding material offers economic and environmental benefits but raises concerns regarding microbial safety, including the persistence of antimicrobial-resistant bacteria and potential pathogens. This study evaluated the effects of biochar supplementation in RMS to mitigate AMR risks, enhance microbial safety, and reduce environmental emissions. Fresh RMS samples were collected from a commercial dairy farm and divided into five treatments: non-supplemented RMS (C-), acidified RMS (C+), and RMS supplemented with 2.5%, 5%, or 10% biochar. Samples were incubated for 30 days at ambient temperature, with assessments on Days 0, 5, 15, and 30. Two assays were conducted: one in a humid period (April–May) and another in a dry period (June–July). Microbial analyses included bacterial quantification, Escherichia coli and Enterococcus spp. isolation, AMR and virulence profiling, and 16S rDNA sequencing for microbial community shifts. In parallel, the environmental study examined RMS characteristics, nutrient retention, and greenhouse gas (GHG) emissions. Results from the bacterial quantification revealed no statistically significant reduction in E. coli and Enterococcus spp. counts with biochar supplementation. However, trends suggested a potential decrease in AMR and virulence factors, with reductions observed in oxytetracycline resistance and biofilm formation. In contrast, the microbiome analysis demonstrated a significant reduction in bacterial loads, with 5% biochar leading to a 59.50% decrease under humid conditions. However, Brucella spp. and Pseudomonas spp. increased in biochar amended RMS. Environmentally, the supplementation with 10% biochar significantly reduced CO₂ (32%) and N₂O (47%) emissions, stabilized nitrogen, and minimized volatilization losses. However, methane emissions were largely unaffected. Addicionally, Biochar supplementation increased micronutrient and heavy metal concentrations (except for molybdenum), as well as potassium and magnesium levels, while decreasing sodium, phosphorus, and total organic carbon content. This study highlights biochar’s potential for improving microbial safety and environmental sustainability in dairy farming. Further research should optimize biochar concentrations, assess long-term effects, and evaluate field-scale applications to fully harness its role in sustainable manure management
RESUMO - SAFEBED: MELHORAR A SEGURANÇA E SUSTENTABILIDADE DE SÓLIDOS DE ESTRUME RECICLADO COMO MATERIAL DE CAMA PARA VACAS LEITEIRAS - A resistência aos antimicrobianos (RAM) e o impacto ambiental da pecuária leiteira representam desafios críticos para a sustentabilidade do setor. A reutilização de sólidos de estrume reciclado (SER) como material de cama oferece benefícios, mas levanta preocupações quanto à segurança microbiana. Este estudo avaliou o impacto da suplementação de biochar no SER para mitigar riscos de RAM, melhorar a segurança microbiana e reduzir emissões ambientais. Amostras de SER foram recolhidas de uma exploração leiteira e sujeitas a cinco tratamentos: SER não suplementado (C-), acidificado (C+) e suplementado com 2,5%, 5% ou 10% de biochar. As amostras foram incubadas durante 30 dias à temperatura ambiente, com análises aos dias 0, 5, 15 e 30. Foram realizados dois ensaios, um em período húmido (abril-maio) e outro em período seco (junho-julho). A caracterização incluiu quantificação bacteriana, isolamento de Escherichia coli e Enterococcus spp., perfis de RAM e virulência, sequenciação de 16S rDNA para avaliar alterações na comunidade microbiana e avaliação das propriedades químicas, da retenção de nutrientes e das emissões de gases com efeito de estufa (GEE). Relativamente à quantificação bacteriana não foram registadas reduções significativas de E. coli e Enterococcus spp., embora tenha sido observada uma tendência de diminuição na resistência a oxitetraciclina e na formação de biofilme. Em contraste, a analise do microbiona revelou uma redução significativa da carga bacteriana, com 5% de biochar a reduzir 59,50% das contagens sob condições húmidas, embora tenha sido registado um aumento de Brucella spp. e Pseudomonas spp. Adicionalmente a 10% de biochar reduziu as emissões de CO₂ (32%) e N₂O (47%), estabilizou o azoto e minimizou perdas por volatilização, sem impacto significativo nas emissões de metano. A análise química indicou um aumento de micronutrientes e metais pesados (exceto molibdénio), além de um aumento nos teores de potássio e magnésio e uma redução de sódio, fósforo e carbono orgânico total. Este estudo destaca o potencial do biochar na mitigação da RAM e na sustentabilidade da produção leiteira. No entanto, são necessários estudos adicionais para otimizar as concentrações aplicadas, avaliar efeitos a longo prazo e validar a sua aplicação em larga escala
RESUMO - SAFEBED: MELHORAR A SEGURANÇA E SUSTENTABILIDADE DE SÓLIDOS DE ESTRUME RECICLADO COMO MATERIAL DE CAMA PARA VACAS LEITEIRAS - A resistência aos antimicrobianos (RAM) e o impacto ambiental da pecuária leiteira representam desafios críticos para a sustentabilidade do setor. A reutilização de sólidos de estrume reciclado (SER) como material de cama oferece benefícios, mas levanta preocupações quanto à segurança microbiana. Este estudo avaliou o impacto da suplementação de biochar no SER para mitigar riscos de RAM, melhorar a segurança microbiana e reduzir emissões ambientais. Amostras de SER foram recolhidas de uma exploração leiteira e sujeitas a cinco tratamentos: SER não suplementado (C-), acidificado (C+) e suplementado com 2,5%, 5% ou 10% de biochar. As amostras foram incubadas durante 30 dias à temperatura ambiente, com análises aos dias 0, 5, 15 e 30. Foram realizados dois ensaios, um em período húmido (abril-maio) e outro em período seco (junho-julho). A caracterização incluiu quantificação bacteriana, isolamento de Escherichia coli e Enterococcus spp., perfis de RAM e virulência, sequenciação de 16S rDNA para avaliar alterações na comunidade microbiana e avaliação das propriedades químicas, da retenção de nutrientes e das emissões de gases com efeito de estufa (GEE). Relativamente à quantificação bacteriana não foram registadas reduções significativas de E. coli e Enterococcus spp., embora tenha sido observada uma tendência de diminuição na resistência a oxitetraciclina e na formação de biofilme. Em contraste, a analise do microbiona revelou uma redução significativa da carga bacteriana, com 5% de biochar a reduzir 59,50% das contagens sob condições húmidas, embora tenha sido registado um aumento de Brucella spp. e Pseudomonas spp. Adicionalmente a 10% de biochar reduziu as emissões de CO₂ (32%) e N₂O (47%), estabilizou o azoto e minimizou perdas por volatilização, sem impacto significativo nas emissões de metano. A análise química indicou um aumento de micronutrientes e metais pesados (exceto molibdénio), além de um aumento nos teores de potássio e magnésio e uma redução de sódio, fósforo e carbono orgânico total. Este estudo destaca o potencial do biochar na mitigação da RAM e na sustentabilidade da produção leiteira. No entanto, são necessários estudos adicionais para otimizar as concentrações aplicadas, avaliar efeitos a longo prazo e validar a sua aplicação em larga escala
Description
Tese especialmente elaborada para obtenção do grau de Doutor em Ciências Veterinárias na especialidade de Sanidade Animal
Keywords
Biochar Recycled manure solids Antimicrobial resistance Microbiome modulation Environmental sustainability Greenhouse gas emissions One Health Biochar Sólidos de estrume reciclado Resistência antimicrobiana Modulação do microbioma Sustentabilidade ambiental Emissões de gases com efeito de estufa Uma-só-saúde
Pedagogical Context
Citation
Pires AJON. 2025. Safebed : improving safety and sustainability of recycled manure solids as bedding material for dairy cows [dissertation]. Lisboa: FMV-Universidade de Lisboa
Publisher
Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina Veterinária